采用双n-mosfet推动级的大功率igbt驱动电路的制作方法
采用双n-mosfet推动级的大功率igbt驱动电路的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于电力半导体器件驱动技术领域，尤其是一种采用双N-MOSFET推动级的大功率IGBT驱动电路。
【背景技术】
[0002]随着市场对大功率变换器的需求日益旺盛，如新能源、电气化轨道交通的兴起，中高压大功率IGBT (绝缘栅双极型晶体管)得到广泛应用。与低压小功率IGBT不同，中高压大功率IGBT运行条件更为恶劣，对驱动电路抗干扰能力要求更高，如果IGBT由于复杂的电磁环境不能可靠地开通或关断，易引起短路故障或工作在线性区造成损耗过大而损坏；在短路故障发生时，流过IGBT的电流可达额定电流的4倍，由于主电路寄生电感的存在，如果采取硬关断的方式，会在IGBT集-射极产生极大的尖峰电压，导致IGBT过压损坏。
[0003]如图1所示，现有的由NPN与PNP构成的推挽式推动级驱动电路包括NPN三极管Ql和PNP三极管Q2，这两个三极管基极并接，基极输入驱动信号指令，发射极也并接，发射极的并接点经门极电阻与IGBT门极相连，三极管Ql集电极连接VCC，三极管Q2集电极连接VEE,上述传统推动级电路能可靠的开通或关断IGBT。
[0004]但是，由于在IGBT的开通关断过程中三极管工作在线性区，损耗较大；且在实际应用中由于单个三极管芯片电流较小，对于驱动大功率IGBT需多个并联，增加了驱动电路板面积。当IGBT发生短路故障时，为了控制短路故障时IGBT的关断速度，降低关断尖峰电压，当前已公开了部分解决方案，该技术能降低IGBT短路故障时的关断速度，但在进行短路保护时同时有两条支路导通，不利于准确控制IGBT的关断速度，参数设计难度较大。
【实用新型内容】
[0005]实用新型目的:提供一种采用双N-MOSFET推动级的大功率IGBT驱动电路，以克服现有技术存在的上述缺陷。
[0006]技术方案:一种采用双N-MOSFET推动级的大功率IGBT驱动电路，包括自举电路、电荷泵电路、双N-MOSFET半桥推动级电路和短路保护电路；
[0007]其中，所述自举电路包括电平自举电路、自举电容(；。。,及自举二极管DI ;电荷泵电路包括自激振荡电路和二极管D2 ;双N-MOSFET半桥推动级电路由上端N-MOSFET开关管SI与下端N-MOSFET开关管S2串联构成；短路保护支路由电阻艮。?与N-MOSFET开关管S3构成；
[0008]电平自举电路输入为驱动控制信号，输出分别连接所述上端N-MOSFET开关管SI和下端N-MOSFET开关管S2的门极；
[0009]电荷泵电路通过二极管D2连接所述自举电容CbOTt，在上端N-MOSFET开关管SI导通时给自举电容Cbtrat充电；
[0010]所述上端N-MOSFET开关管SI的门极与自举电路输出连接，漏极与电源VCC连接，所述下端N-MOSFET开关管S2的门极连接自举电路输出引脚，源极连接电源VEE，上端N-MOSFET开关管SI的源极与下端N-MOSFET开关管S2的漏极及自举电容Cbwt连接，该连接点和门极电阻Rg的一端相连，门极电阻Rg的另一端连接IGBT门极，
[0011]电阻艮。?的一端与IGBT门极相连，电阻Rstjft的另一端和开关管S3的漏极相连，开关管S3的源极和地相连，门极与保护控制信号相连。
[0012]工作原理:上述自举电路与电荷泵电路为双N-MOSFET推动级电路的驱动电路，电平自举电路完成信号调理、上端N-MOSFET开关管SI和下端N-MOSFET开关管S2的控制；上端N-MOSFET开关管SI与下端N-MOSFET开关管S2互补导通，在下端N-MOSFET开关管S2导通时通过Vl —自举二极管Dl —自举电容Cbtrat回路对自举电容充电，上端N-MOSFET开关管SI导通时，其门极电压为自举电容(；。。,的电压。在低频应用场合，自举电容电压不能维持上端N-MOSFET开关管SI导通，引入电荷泵电路，在上端N-MOSFET开关管SI导通阶段给自举电容充电，维持SI门极电压，提高电路的可靠性、扩大了电路应用场合。
[0013]上述IGBT短路保护电路采用与门极连接的第三条支路方法，通过电阻Rstjft与开关管S3连接IGBT门极与地，同时配合双N-MOSFET推动级电路，在短路故障发生时，S1、S2断开，而短路保护支路开关管S3导通，门极电荷通过RS()ft— S3 — GND回路放电，由于R _大于门极电阻Rg且短路保护支路与地连接，可降低IGBT关断速度，同时也就降低了 IGBT尖峰电压。
[0014]有益效果:本实用新型降低了整个驱动器电路的损耗且降低了电路成本；短路保护电路可准确控制IGBT短路故障时电流下降速率，降低IGBT关断尖峰电压。
【附图说明】
[0015]图1是现有的由NPN与PNP构成的推挽式推动级驱动电路示意图。
[0016]图2是带自举电路与电荷泵电路的双N-MOSFET驱动级的IGBT驱动电路示意图。
[0017]图3为各开关管工作逻辑示意图。
[0018]图4为该驱动器测试平台电路示意图。
[0019]图5a为与驱动开关管工作逻辑相对应的功率开关管工作波形图。
[0020]图5b为功率开关管正常运行时波形图。
[0021]图5c为功率开关管短路故障时波形图。
[0022]附图标记:Udc一一母线直流电压；L一一负载电感；Cd。一一支撑电容；S1?S3—一驱动开关管及驱动信号；T1?T2—一功率开关管；SC—一短路故障信号；VeE—一功率开关管门极电压——功率开关管集电极电流——功率开关管集-射极电压。
【具体实施方式】
[0023]图1描述了本实用新型驱动电路的结构，它主要包括自举电路、电荷泵电路、双N-MOSFET半桥推动级电路和短路保护电路。
[0024]其中，所述自举电路包括电平自举电路、自举电容CbootM自举二极管Dl，输入为驱动控制信号，输出分别连接双N-MOSFET推动级电路的上端N-MOSFET开关管SI和下端N-MOSFET开关管S2门极。
[0025]电荷泵电路通过二极管D2连接自举电容CbOTt，在上端N-MOSFET开关管SI导通时给自举电容充电?’双N-MOSFET推动级电路包括上端N-MOSFET开关管SI和下端N-MOSFET开关管S2，上端N-MOSFET开关管SI的门极与自举电路输出连接，漏极与电源Vrc连接，下端N-MOSFET开关管S2的门极连接自举电路输出引脚，源极连接电源VEE，上端N-MOSFET开关管SI的源极与下端N-MOSFET开关管S2的漏极及自举电容连接，该连接点和门极电阻Rg的一端相连。
[0026]门极电阻Rg的另一端连接IGBT门极，短路保护电路包括电阻R 一和N-MOSFET开关管S3，电阻艮。?的一端与IGBT门极相连，电阻R S()ft的另一端和N-MOSFET开关管S3的漏极相连，N-MOSFET开关管S3的源极和地相连，门极与保护控制信号相连。
[0027]图3为本实用新型驱动电路各开关管工作逻辑，当IGBT正常工作时，双N-MOSFET驱动级电路的上端N-MOSFET开关管SI及下端N-MOSFET开关管S2根据驱动信号指令互补导通，短路保护电路的N-MOSFET开关管S3截止；当驱动信号为低时，下端N-MOSFET开关管S2导通，上端N-MOSFET开关管SI关断，自举电容Cw通过Vl — D自举二极管I — Cb()()t— S2回路进行充电，Vge= V EE，IGBT关断；当驱动信号为高时，上端N-MOSFET开关管SI导通，下端N-MOSFET开关管S2关断，自举电容通过电荷泵电路一二极管D2 —自举电容Cbtrat回路进行充电，VeE= Vcc，IGBT导通。
[0028]当IGBT出现短路过流故障时，双N-MOSFET驱动级电路的开关管SI及S2根据指令进行关断，短路保护支路N-MOSFET开关管S3导通，IGBT门极电荷通过电阻Rstjft放电，门极电压\E缓慢下降，降低IGBT关断速度，从而实现IGBT短路保护。
[0029]图4为测试该驱动器的实验平台，Ud。为直流电源，Cd。为直流母线支撑电容，T1、T2为功率开关管，Tl 一直保持关断状态，Τ2接本实用新型驱动电路，负载电感L分别连接Tl的集电极与发射极。当Τ2导通时，直流电压加载电感两端，Τ2集电极电流线性增加；当Τ2关断时，电感电流通过Tl的反向并联二极管续流。
[0030]图5a至图5c为与驱动开关管工作逻辑相对应的功率开关管工作波形图，与前面所述理论分析一致。
[0031]以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本实用新型的保护范围。
【主权项】
1.一种采用双N-MOSFET推动级的大功率IGBT驱动电路，其特征在于，包括自举电路(I)、电荷泵电路⑵、双N-MOSFET半桥推动级电路(3)和短路保护电路⑷； 其中，所述自举电路⑴包括电平自举电路、自举电容Cbwt及自举二极管Dl ;电荷泵电路⑵包括自激振荡电路和二极管D2 ;双N-MOSFET半桥推动级电路(3)由上端N-MOSFET开关管SI与下端N-MOSFET开关管S2串联构成；短路保护支路(4)由电阻艮心与N-MOSFET开关管S3构成； 电平自举电路输入为驱动控制信号，输出分别连接所述上端N-MOSFET开关管SI和下端N-MOSFET开关管S2的门极； 电荷泵电路通过二极管D2连接所述自举电容CbMt，在上端N-MOSFET开关管SI导通时给自举电容Cbtrat充电； 所述上端N-MOSFET开关管SI的门极与自举电路输出连接，漏极与电源Vrc连接，所述下端N-MOSFET开关管S2的门极连接自举电路输出引脚，源极连接电源Vee，上端N-MOSFET开关管SI的源极与下端N-MOSFET开关管S2的漏极及自举电容Cbtrat连接，该连接点和门极电阻Rg的一端相连，门极电阻R g的另一端连接IGBT门极， 电阻艮。?的一端与IGBT门极相连，电阻Rstjft的另一端和开关管S3的漏极相连，开关管S3的源极和地相连，门极与保护控制信号相连。
【专利摘要】本实用新型公开了一种采用双N-MOSFET推动级的大功率IGBT驱动电路，包括自举电路、电荷泵电路、双N-MOSFET半桥推动级电路和短路保护电路；所述自举电路包括电平自举电路、自举电容Cboot及自举二极管D1；电荷泵电路包括自激振荡电路和二极管D2；双N-MOSFET半桥推动级电路由上端N-MOSFET开关管S1与下端N-MOSFET开关管S2串联构成；短路保护支路由电阻Rsoft与N-MOSFET开关管S3构成；电平自举电路输入为驱动控制信号，输出分别连接所述上端N-MOSFET开关管S1和下端N-MOSFET开关管S2的门极；电荷泵电路通过二极管D2连接所述自举电容Cboot，在上端N-MOSFET开关管S1导通时给自举电容Cboot充电。本实用新型降低了整个驱动器电路的损耗且降低了电路成本；短路保护电路可准确控制IGBT短路故障时电流下降速率，降低IGBT关断尖峰电压。
【IPC分类】H03K17/567, H03K17/08
【公开号】CN204697031
【申请号】CN201520434011
【发明人】肖华锋, 兰科
【申请人】东南大学
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年6月23日
【技术领域】
[0001]本实用新型属于电力半导体器件驱动技术领域，尤其是一种采用双N-MOSFET推动级的大功率IGBT驱动电路。
【背景技术】
[0002]随着市场对大功率变换器的需求日益旺盛，如新能源、电气化轨道交通的兴起，中高压大功率IGBT (绝缘栅双极型晶体管)得到广泛应用。与低压小功率IGBT不同，中高压大功率IGBT运行条件更为恶劣，对驱动电路抗干扰能力要求更高，如果IGBT由于复杂的电磁环境不能可靠地开通或关断，易引起短路故障或工作在线性区造成损耗过大而损坏；在短路故障发生时，流过IGBT的电流可达额定电流的4倍，由于主电路寄生电感的存在，如果采取硬关断的方式，会在IGBT集-射极产生极大的尖峰电压，导致IGBT过压损坏。
[0003]如图1所示，现有的由NPN与PNP构成的推挽式推动级驱动电路包括NPN三极管Ql和PNP三极管Q2，这两个三极管基极并接，基极输入驱动信号指令，发射极也并接，发射极的并接点经门极电阻与IGBT门极相连，三极管Ql集电极连接VCC，三极管Q2集电极连接VEE,上述传统推动级电路能可靠的开通或关断IGBT。
[0004]但是，由于在IGBT的开通关断过程中三极管工作在线性区，损耗较大；且在实际应用中由于单个三极管芯片电流较小，对于驱动大功率IGBT需多个并联，增加了驱动电路板面积。当IGBT发生短路故障时，为了控制短路故障时IGBT的关断速度，降低关断尖峰电压，当前已公开了部分解决方案，该技术能降低IGBT短路故障时的关断速度，但在进行短路保护时同时有两条支路导通，不利于准确控制IGBT的关断速度，参数设计难度较大。
【实用新型内容】
[0005]实用新型目的:提供一种采用双N-MOSFET推动级的大功率IGBT驱动电路，以克服现有技术存在的上述缺陷。
[0006]技术方案:一种采用双N-MOSFET推动级的大功率IGBT驱动电路，包括自举电路、电荷泵电路、双N-MOSFET半桥推动级电路和短路保护电路；
[0007]其中，所述自举电路包括电平自举电路、自举电容(；。。,及自举二极管DI ;电荷泵电路包括自激振荡电路和二极管D2 ;双N-MOSFET半桥推动级电路由上端N-MOSFET开关管SI与下端N-MOSFET开关管S2串联构成；短路保护支路由电阻艮。?与N-MOSFET开关管S3构成；
[0008]电平自举电路输入为驱动控制信号，输出分别连接所述上端N-MOSFET开关管SI和下端N-MOSFET开关管S2的门极；
[0009]电荷泵电路通过二极管D2连接所述自举电容CbOTt，在上端N-MOSFET开关管SI导通时给自举电容Cbtrat充电；
[0010]所述上端N-MOSFET开关管SI的门极与自举电路输出连接，漏极与电源VCC连接，所述下端N-MOSFET开关管S2的门极连接自举电路输出引脚，源极连接电源VEE，上端N-MOSFET开关管SI的源极与下端N-MOSFET开关管S2的漏极及自举电容Cbwt连接，该连接点和门极电阻Rg的一端相连，门极电阻Rg的另一端连接IGBT门极，
[0011]电阻艮。?的一端与IGBT门极相连，电阻Rstjft的另一端和开关管S3的漏极相连，开关管S3的源极和地相连，门极与保护控制信号相连。
[0012]工作原理:上述自举电路与电荷泵电路为双N-MOSFET推动级电路的驱动电路，电平自举电路完成信号调理、上端N-MOSFET开关管SI和下端N-MOSFET开关管S2的控制；上端N-MOSFET开关管SI与下端N-MOSFET开关管S2互补导通，在下端N-MOSFET开关管S2导通时通过Vl —自举二极管Dl —自举电容Cbtrat回路对自举电容充电，上端N-MOSFET开关管SI导通时，其门极电压为自举电容(；。。,的电压。在低频应用场合，自举电容电压不能维持上端N-MOSFET开关管SI导通，引入电荷泵电路，在上端N-MOSFET开关管SI导通阶段给自举电容充电，维持SI门极电压，提高电路的可靠性、扩大了电路应用场合。
[0013]上述IGBT短路保护电路采用与门极连接的第三条支路方法，通过电阻Rstjft与开关管S3连接IGBT门极与地，同时配合双N-MOSFET推动级电路，在短路故障发生时，S1、S2断开，而短路保护支路开关管S3导通，门极电荷通过RS()ft— S3 — GND回路放电，由于R _大于门极电阻Rg且短路保护支路与地连接，可降低IGBT关断速度，同时也就降低了 IGBT尖峰电压。
[0014]有益效果:本实用新型降低了整个驱动器电路的损耗且降低了电路成本；短路保护电路可准确控制IGBT短路故障时电流下降速率，降低IGBT关断尖峰电压。
【附图说明】
[0015]图1是现有的由NPN与PNP构成的推挽式推动级驱动电路示意图。
[0016]图2是带自举电路与电荷泵电路的双N-MOSFET驱动级的IGBT驱动电路示意图。
[0017]图3为各开关管工作逻辑示意图。
[0018]图4为该驱动器测试平台电路示意图。
[0019]图5a为与驱动开关管工作逻辑相对应的功率开关管工作波形图。
[0020]图5b为功率开关管正常运行时波形图。
[0021]图5c为功率开关管短路故障时波形图。
[0022]附图标记:Udc一一母线直流电压；L一一负载电感；Cd。一一支撑电容；S1?S3—一驱动开关管及驱动信号；T1?T2—一功率开关管；SC—一短路故障信号；VeE—一功率开关管门极电压——功率开关管集电极电流——功率开关管集-射极电压。
【具体实施方式】
[0023]图1描述了本实用新型驱动电路的结构，它主要包括自举电路、电荷泵电路、双N-MOSFET半桥推动级电路和短路保护电路。
[0024]其中，所述自举电路包括电平自举电路、自举电容CbootM自举二极管Dl，输入为驱动控制信号，输出分别连接双N-MOSFET推动级电路的上端N-MOSFET开关管SI和下端N-MOSFET开关管S2门极。
[0025]电荷泵电路通过二极管D2连接自举电容CbOTt，在上端N-MOSFET开关管SI导通时给自举电容充电?’双N-MOSFET推动级电路包括上端N-MOSFET开关管SI和下端N-MOSFET开关管S2，上端N-MOSFET开关管SI的门极与自举电路输出连接，漏极与电源Vrc连接，下端N-MOSFET开关管S2的门极连接自举电路输出引脚，源极连接电源VEE，上端N-MOSFET开关管SI的源极与下端N-MOSFET开关管S2的漏极及自举电容连接，该连接点和门极电阻Rg的一端相连。
[0026]门极电阻Rg的另一端连接IGBT门极，短路保护电路包括电阻R 一和N-MOSFET开关管S3，电阻艮。?的一端与IGBT门极相连，电阻R S()ft的另一端和N-MOSFET开关管S3的漏极相连，N-MOSFET开关管S3的源极和地相连，门极与保护控制信号相连。
[0027]图3为本实用新型驱动电路各开关管工作逻辑，当IGBT正常工作时，双N-MOSFET驱动级电路的上端N-MOSFET开关管SI及下端N-MOSFET开关管S2根据驱动信号指令互补导通，短路保护电路的N-MOSFET开关管S3截止；当驱动信号为低时，下端N-MOSFET开关管S2导通，上端N-MOSFET开关管SI关断，自举电容Cw通过Vl — D自举二极管I — Cb()()t— S2回路进行充电，Vge= V EE，IGBT关断；当驱动信号为高时，上端N-MOSFET开关管SI导通，下端N-MOSFET开关管S2关断，自举电容通过电荷泵电路一二极管D2 —自举电容Cbtrat回路进行充电，VeE= Vcc，IGBT导通。
[0028]当IGBT出现短路过流故障时，双N-MOSFET驱动级电路的开关管SI及S2根据指令进行关断，短路保护支路N-MOSFET开关管S3导通，IGBT门极电荷通过电阻Rstjft放电，门极电压\E缓慢下降，降低IGBT关断速度，从而实现IGBT短路保护。
[0029]图4为测试该驱动器的实验平台，Ud。为直流电源，Cd。为直流母线支撑电容，T1、T2为功率开关管，Tl 一直保持关断状态，Τ2接本实用新型驱动电路，负载电感L分别连接Tl的集电极与发射极。当Τ2导通时，直流电压加载电感两端，Τ2集电极电流线性增加；当Τ2关断时，电感电流通过Tl的反向并联二极管续流。
[0030]图5a至图5c为与驱动开关管工作逻辑相对应的功率开关管工作波形图，与前面所述理论分析一致。
[0031]以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本实用新型的保护范围。
【主权项】
1.一种采用双N-MOSFET推动级的大功率IGBT驱动电路，其特征在于，包括自举电路(I)、电荷泵电路⑵、双N-MOSFET半桥推动级电路(3)和短路保护电路⑷； 其中，所述自举电路⑴包括电平自举电路、自举电容Cbwt及自举二极管Dl ;电荷泵电路⑵包括自激振荡电路和二极管D2 ;双N-MOSFET半桥推动级电路(3)由上端N-MOSFET开关管SI与下端N-MOSFET开关管S2串联构成；短路保护支路(4)由电阻艮心与N-MOSFET开关管S3构成； 电平自举电路输入为驱动控制信号，输出分别连接所述上端N-MOSFET开关管SI和下端N-MOSFET开关管S2的门极； 电荷泵电路通过二极管D2连接所述自举电容CbMt，在上端N-MOSFET开关管SI导通时给自举电容Cbtrat充电； 所述上端N-MOSFET开关管SI的门极与自举电路输出连接，漏极与电源Vrc连接，所述下端N-MOSFET开关管S2的门极连接自举电路输出引脚，源极连接电源Vee，上端N-MOSFET开关管SI的源极与下端N-MOSFET开关管S2的漏极及自举电容Cbtrat连接，该连接点和门极电阻Rg的一端相连，门极电阻R g的另一端连接IGBT门极， 电阻艮。?的一端与IGBT门极相连，电阻Rstjft的另一端和开关管S3的漏极相连，开关管S3的源极和地相连，门极与保护控制信号相连。
【专利摘要】本实用新型公开了一种采用双N-MOSFET推动级的大功率IGBT驱动电路，包括自举电路、电荷泵电路、双N-MOSFET半桥推动级电路和短路保护电路；所述自举电路包括电平自举电路、自举电容Cboot及自举二极管D1；电荷泵电路包括自激振荡电路和二极管D2；双N-MOSFET半桥推动级电路由上端N-MOSFET开关管S1与下端N-MOSFET开关管S2串联构成；短路保护支路由电阻Rsoft与N-MOSFET开关管S3构成；电平自举电路输入为驱动控制信号，输出分别连接所述上端N-MOSFET开关管S1和下端N-MOSFET开关管S2的门极；电荷泵电路通过二极管D2连接所述自举电容Cboot，在上端N-MOSFET开关管S1导通时给自举电容Cboot充电。本实用新型降低了整个驱动器电路的损耗且降低了电路成本；短路保护电路可准确控制IGBT短路故障时电流下降速率，降低IGBT关断尖峰电压。
【IPC分类】H03K17/567, H03K17/08
【公开号】CN204697031
【申请号】CN201520434011
【发明人】肖华锋, 兰科
【申请人】东南大学
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年6月23日
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